Массоперенос и его физические характеристики в биотехнологических процессах пищевых производств

Физико-механическая связь - удержание воды в неопределенных количествах. Этой связи соответствуют следующие виды влаги:

а) влага макрокапилляров - находится в капиллярах (порах), средний радиус которых больше 10^-5 см. вода заполняет сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ними;

б) влага микрокапилляров - заполняет узкие поры, средний радиус которых меньше 10^-5 см. Жидкость заполняет любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного воздуха. Капиллярная влага перемещается в теле как в виде жидкости (обычно из центральных слоев тела до зоны испарения), так и в виде пара (от зоны испарения через сухой слой наружу).

В коллоидно-дисперсных телах содержится влага, связанная с материалом различными формами связи. Так влага, содержащаяся в капиллярно-пористых телах, в основном связана капиллярными силами.

В коллоидных телах преобладает осмотическая и структурная влага. Влага, содержащаяся в коллоидных капиллярно-пористых телах, характеризуется всеми формами связи. /2/

В количественном отношении, влага, содержащаяся в материале, характеризуется понятием влажности:

, (2.43)

где - влажность материала, %;

G_B - масса влаги в материале, кг;

G_M - масса влажного материала, кг.

2.4 Кинетика сушки

При конвективной сушке влага удаляется из материала за счет испарения с поверхности материала. На смену испарившейся из глубины материала влаги под действием градиента концентрации перемещается следующий поток влаги.

Под действием температурного градиента влага перемещается от более нагретых слоев на поверхности материала к менее нагретым - внутри.

Это явление получило название термовлагопроводности.

Таким образом, возникает два потока влаги: под действием градиента концентрации

(2.44)

и под действием градиента температуры

(2.45)

где k_w и k_t - коэффициенты массопередачи в этих процессах, зависящие от структуры материала и вида связи влаги с материалом.

Суммарный поток перемещающейся влаги равен разности этих двух величин:

М = М_w - M_t (2.46)

Для характеристики процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел удобно пользоваться графиками изменения влажности материала. Кривая сушки (см. рисунок 2.2) показывает изменение влажности тела по времени. Как видно из графика, весь период сушки от начальной влажности w_Н до конечной w₂ можно разбить на три периода: краткий период подогрева материала, когда влажность его практически не изменяется; период постоянной скорости сушки, когда кривая сушки имеет форму наклонной прямой; и период убывающей скорости сушки от точки К. Точка К называется критической точкой и фиксирует на графике момент, когда количество влаги, поступающей к поверхности материала, становится меньше, чем может испариться с его поверхности.

Рисунок 2.2 - График кривой сушки

На кривой скорости сушки (см. рисунок 2.3) также можно выделить три области. Период подогрева на этом графике изображается вертикальной прямой (w_Н = const); период постоянной скорости - горизонтальная прямая до критической точки К. Характер изменения скорости сушки в третьем периоде зависит от структурных особенностей материала. Так, прямолинейный характер изменения скорости сушки (кривая 1) имеют грубопористые материалы (бумага). Кривая 2 соответствует сушки макаронных изделий. Характер изменения скорости сушки сухарей представлен кривой 3. /1/

Рисунок 2.3 - График скорости сушки

2.5 Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах

Влажные материалы, применяемые в пищевой промышленности, представляют собой, как правило, капиллярно-пористые тела. Внутренний тепло- и массоперенос в основном определяется формами связи влаги с материалом, структурой капиллярно-пористого тела и режимом сушки. Влага в материале может перемещаться как в виде жидкости, так и в виде пара.

Осмотическая влага перемещается (мигрирует) через стенки клетки в жидком виде. Адсорбционно-связанная влага перемещается в виде пара. При большой влажности материала преобладает миграция влаги в виде жидкости. При малой влажности материала влага перемещается в основном в виде пара.

В общем случае поток влаги j_m можно условно разбить на три потока:

, (2.47)

где а_т - коэффициент потенциалопроводности материала, м²/с;

- термоградиентный коэффициент, 1/град;

₀ - плотность сухого материала, кг/м³;

,

где ,и - градиенты влагосодержания, температуры и давления,

возникающие в материале при его сушке.

Первый член уравнения (2.47) показывает, что влага в материале перемещается благодаря наличию градиента влагосодержания. Коэффициент потенциалопроводности веществ, аналогичный коэффициенту температуропроводности, зависит от влагосодержания и температуры. Для капиллярно-пористых тел с повышением влагосодержания коэффициент потенциалопроводности увеличивается; при больших влагосодержаниях он становится постоянным.

При постоянном влагосодержании коэффициент потенциалопроводности изменяется прямо пропорционально температуре.

Второй член уравнения (2.47) показывает, что влага перемещается также благодаря наличию градиента температуры. Кинетической характеристикой этого явления является термоградиентный коэффициент. С повышением влагосодержания термоградиентный коэффициент капиллярно-пористых тел увеличивается, достигая некоторого максимального значения; затем он уменьшается. Характер изменения коэффициента зависит от структуры тела и формы связи влаги с материалом. Для тел, у которых количество осмотически поглощенной влаги велико, характерно уменьшение коэффициента с повышением температуры. При преобладании капиллярно- связанной влаги термоградиентный коэффициент с повышением температуры несколько увеличивается.

Влагосодержание или температура в поверхностных слоях материала может быть выше, чем во внутренних, что затормаживает перемещение влаги к его поверхности. Более того, такое распределение влагосодержания и температуры может вызывать обратное перемещение влаги во внутренние слои материала. В связи с этим градиенты влагосодержания и температуры могут иметь как положительный, так и отрицательный знаки (2.47).

Отрицательный знак показывает, что направление вектора потока влаги совпадает с направлением градиента и соответствует перемещению влаги из внутренних слоев материала к его поверхности. В некоторых случаях в центре температура материала ниже, а влагосодержание выше, чем на поверхности. Тогда перемещение влаги внутри материала к его поверхности происходит за счет градиента влагосодержания, а градиент температуры оказывает затормаживающее действие. Могут иметь место и обратные случаи.

Третий член уравнения (2.47) выражает поток влаги при наличии градиента давления. Этот фактор имеет место в условиях сушки, когда температура материала выше 100 ⁰С или выше температуры насыщения окружающей среды при данном давлении. Под действием градиента давлений происходит перенос влаги главным образом в виде пара. Явление переноса влаги в виде пара тесным образом связано с углублением поверхности испарения в процессе сушки. По мере углубления поверхности испарения градиент давления возрастает и увеличивается доля этого вида массопереноса. При высокотемпературной сушке перенос влаги осуществляется главным образом в виде пара под действием градиента давлений; в этом случае роль градиентов влагосодержания и температуры мала. Коэффициент молярного переноса зависит от влажности, температуры и структуры материала. /2/

2.6 Сушка хлеба

Сушка хлеба является одним из наиболее распространенных методов его консервирования. По структуре хлеб является капиллярно-пористым телом. При выпечке хлеба происходят денатурация белков и неполная клейстеризация крахмала. Денатурация представляет собой сложное явление, в основе которого лежит изменение пространственной нативной конфигурации белка за счет внутримолекулярной перегруппировки молекулы, не сопровождающееся расщеплением пептидной связи. Крахмал приобретает свойства связывать воду в процессе выпечки.

Мякиш хлеба характеризуется прочным адсорбционным связыванием воды клейстеризующимся крахмалом. В мякише содержатся также влага набухания и капиллярная влага, обусловленная капиллярно-пористой структурой хлеба. В момент выемки хлеба из печи влажность корки близка к нулю, а влажность мякиша примерно такая же, как начальная влажность теста. При остывании хлеба после выпечки корка увлажняется за счет перемещения влаги по капиллярам из мякиша и влажность ее достигает 15 - 20%.

Наибольшее влияние на скорость сушки хлеба оказывает температура воздуха и в меньшей мере - скорость воздуха и его влажность.

Процесс лимитируется поступлением влаги из внутренних слоев к поверхности испарения, т. е. скорость перемещения влаги внутри образца меньше скорости перемещения пара от поверхности в окружающую среду.

В процессе сушки в материале создается температурный градиент. Наличие градиента температуры свидетельствует о том, что поверхностный слой обезвоживается очень быстро и испарение происходит на некоторой глубине. При высокой температуре воздуха и небольшом его насыщении скорость углубления поверхности испарения незначительна и вначале процесса на поверхности материала образуется корочка, препятствующая перемещению влаги. Во второй стадии сушки повышение температуры воздуха ускоряет сушку хлеба и насыщение воздуха не влияет на процесс. /2/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам данной курсовой работы можно сделать следующие выводы:

1. В тексте курсовой работы представлены принципы термодинамики, на которых базируются массообменные процессы. Даны понятия необратимости процессов, фазового равновесия и химического потенциала системы, без которых невозможно понять суть процессов массопереноса.

2. Представлена формулировка основного уравнения массопереноса. Приведены законы массопереноса для различных сред.

3. Применение массообменных процессов в пищевой биотехнологии рассмотрено на примере сушки - одного из методов биоконсервирования. Приведены уравнения, описывающие процессы влагопереноса.

Таким образом, к задачам, которые не могут быть решены без использования знания массообменных характеристик процесса относятся: проведение расчета массопереноса (например, скорости и интенсивности сушки), обработка результатов экспериментального исследования, определение расчетным путем количества влаги, перешедшей от одного тела к другому.

Знание закономерностей массопереноса применяется при прогнозировании результатов эксперимента, например, в расчетах по содержанию ключевых компонентов продукта, при обосновании рецептуры комбинированных изделий, а также в биоконсервировании.

Знание массообменных характеристик также необходимо для правильного хранения гигроскопических продуктов, для анализа форм связи влаги с материалом. Например, устанавливая режим сушки, при котором помимо оптимальных теплоэнергетических показателей достигаются наилучшие технологические свойства высушенного материала, необходимо учитывать в какой форме перемещается влага в процессе сушки. Это возможно, если имеются значения массообменных характеристик тел.

Вышеизложенное показывает, насколько важно иметь данные по всем массообменным характеристикам тел.

Список используемой литературы

1. Нечаев А.П., Шуб И.С., Аношин О.М. Технология пищевых производств. - М.: КолосС, 2007. - 768 с.

2. Аношин И.М. Теоретические основы массообменных процессов пищевых производств. - М.: Пищевая промышленность, 1970. - 344 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2001. - 542 с.

4. Киреев В.А. Курс физической химии. - М.: Химия, 1975.- 776 с.

5. Байдалинова Л.С., Лысова А.С., Мезенова О.Я. и др. Биотехнология морепродуктов. - М.: Мир, 2006. - 560 с.

Размещено на Allbest.ru